Tasapaino

KE6: 2/4

Tasapainotila

Kemiallisen tasapainotilan ominaisuuksia

muodostuu vain suljetussa systeemissä
reaktiot eivät pysähdy, vaan molemmat tapahtuvat koko ajan
etenevä ja palautuva reaktio tapahtuvat yhtä suurella nopeudella
lähtöaineiden ja tuotteiden konsentraatiot eivät muutu

tasapainotila saavutettu

tasapainotila $\rightarrow$

palautuva reaktio

etenevä reaktio

$v_1=v_2$

Tasapainovakio

aA+bB\leftrightharpoons cC+dD

aA+bB\leftrightharpoons cC+dD

v_e

v_e

v_p

v_p

v_e=v_p

v_e=v_p

K=\frac{[C]^c\cdot[D]^d}{[A]^a\cdot[B]^b}

K=\frac{[C]^c\cdot[D]^d}{[A]^a\cdot[B]^b}

[A], [B], [C], [D]

[A], [B], [C], [D]

aineiden A, B, C ja D tasapainokonsentraatiot

Tasapainovakio K

lämpötilasta riippuva reaktiokohtainen vakio
kuvaa tuotteiden ja lähtöaineiden konsentraatioiden suhdetta tasapainotilassa
lasketaan aina tasapainokonsentraatioilla

tasapainovakion lauseke

Pätee laimeille liuoksille!

ei yksikköä!

Esimerkki

Dityppitetraoksidin ja typpidioksidin välisen reaktion tasapainovakio on

400 K:n lämpötilassa 47,9
500 K:n lämpötilassa 1700.

Mitä voidaan päätellä tuotteen määrästä seoksessa, kun lämpötilaa nostetaan?

Kumpaan suuntaan reaktion tasapainotila siirtyy, kun lämpötilaa lasketaan?

\mathrm{N_2O_4(g)\leftrightharpoons}2\ NO_2(g)

\mathrm{N_2O_4(g)\leftrightharpoons}2\ NO_2(g)

K=\mathrm{\frac{[NO_2]^2}{[N_2O_4]}}

K=\mathrm{\frac{[NO_2]^2}{[N_2O_4]}}

K:n arvo suurempi korkeammassa lämpötilassa

$\rightarrow$ osoittaja suurempi

$\rightarrow$ tuotteiden määrä kasvaa, kun lämpötilaa nostetaan

K:n arvo pienempi matalammassa lämpötilassa

$\rightarrow$ lähtöaineiden määrä kasvaa, kun lämpötilaa lasketaan

$\rightarrow$ tasapainotila siirtyy lähtöaineisiin päin

\mathrm{N_2O_4(g)\leftrightharpoons}\ 2\ NO_2(g)

\mathrm{N_2O_4(g)\leftrightharpoons}\ 2\ NO_2(g)

K=\mathrm{\frac{[NO_2]^2}{[N_2O_4]}}

K=\mathrm{\frac{[NO_2]^2}{[N_2O_4]}}

Tasapainovakion lauseke kirjoitetaan aina etenevälle reaktiolle!

Tasapainovakio

\mathrm{2\ NO_2(g)\leftrightharpoons N_2O_4(g)}

\mathrm{2\ NO_2(g)\leftrightharpoons N_2O_4(g)}

K'=\mathrm{\frac{[N_2O_4]}{[NO_2]^2}}

K'=\mathrm{\frac{[N_2O_4]}{[NO_2]^2}}

K\cdot K'=\mathrm{\frac{[NO_2]^2}{[N_2O_4]}}\cdot\mathrm{\frac{[N_2O_4]}{[NO_2]^2}}

K\cdot K'=\mathrm{\frac{[NO_2]^2}{[N_2O_4]}}\cdot\mathrm{\frac{[N_2O_4]}{[NO_2]^2}}

K\cdot K'=1

K\cdot K'=1

\|:K

\|:K

K'=\frac{1}{K}

K'=\frac{1}{K}

Palautuvan reaktion tasapainovakion arvo on etenevän reaktion tasapainovakion käänteisluku!

Esimerkki

a) Kirjoita tasapainovakion lauseke reaktiolle.

b) Laske tasapainovakion arvo.

c) Onko reaktion tasapainotila lähtöaineiden vai tuotteiden puolella?

d) Laske palautuvan reaktion tasapainovakion arvo.

K=\mathrm{\frac{[SO_3]^2}{[SO_2]^2[O_2]}}

K=\mathrm{\frac{[SO_3]^2}{[SO_2]^2[O_2]}}

Tasapaino-konsentraatiot:

K=\mathrm{\frac{0{,}397^2}{2{,}34^2\cdot2{,}01}}

K=\mathrm{\frac{0{,}397^2}{2{,}34^2\cdot2{,}01}}

=0{,}01432...

=0{,}01432...

\approx0,0143

\approx0,0143

c) K<1, joten tasapaino on lähtöaineiden puolella

K'=K^{-1}

K'=K^{-1}

=69{,}830...

=69{,}830...

\approx69{,}8

\approx69{,}8

Homogeeninen ja heterogeeninen tasapainotila

Jos kaikki aineet ovat samassa faasissa, on kyseessä homogeeninen tasapainotila.

Jos kaikki aineet eivät ole samassa faasissa, on kyseessä heterogeeninen tasapainotila.

\mathrm{NaCl(s)\leftrightharpoons Na^+(aq)+Cl^-(aq)}

\mathrm{NaCl(s)\leftrightharpoons Na^+(aq)+Cl^-(aq)}

vesi on liuotin!

\mathrm{3\ H_2(g)+N_2(g)\leftrightharpoons2\ NH_3(g)}

\mathrm{3\ H_2(g)+N_2(g)\leftrightharpoons2\ NH_3(g)}

\mathrm{H_2CO_3(aq)\leftrightharpoons H_2O(l)+CO_2(aq)}

\mathrm{H_2CO_3(aq)\leftrightharpoons H_2O(l)+CO_2(aq)}

\mathrm{CO_2(g)\leftrightharpoons CO_2(aq)}

\mathrm{CO_2(g)\leftrightharpoons CO_2(aq)}

kylläinen liuos

Esimerkki 1

Määritä tasapainovakion arvo oheisen taulukon avulla.


0,4	0,4	0

		0,6

$\mathrm{H_2(g)}\ +$

$\mathrm{I_2(g)}$

$\leftrightharpoons$

$\mathrm{2\ HI(g)}\$

c_\mathrm{a}

c_\mathrm{a}

c_{\mathrm{tp}}

c_{\mathrm{tp}}

\Delta

\Delta

Lähtöaineiden määrä vähenee.

Tuotteiden määrä lisääntyy.

+\ 2\cdot0{,}3

+\ 2\cdot0{,}3

-0{,}3

-0{,}3

-0{,}3

-0{,}3

0{,}1

0{,}1

0{,}1

0{,}1

K=

\mathrm{\frac{[HI]^2}{[H_2]\cdot[I_2]}}

\mathrm{\frac{[HI]^2}{[H_2]\cdot[I_2]}}

=\frac{0{,}6^2}{0{,}1\cdot0{,}1}

=\frac{0{,}6^2}{0{,}1\cdot0{,}1}

=36

=36

Esimerkki 2

Määritä taulukon avulla reaktioseoksen koostumus tasapainotilassa, kun reaktion tasapainovakion arvo on 172.


0,65	0,45	0

$3\ \mathrm{H_2(g)}\ +$

$\mathrm{N_2(g)}$

$\leftrightharpoons$

$\mathrm{2\ NH_3(g)}\$

c_\mathrm{a}

c_\mathrm{a}

c_{\mathrm{tp}}

c_{\mathrm{tp}}

\Delta

\Delta

K=

\mathrm{\frac{[NH_3]^2}{[H_2]^3\cdot[N_2]}}

\mathrm{\frac{[NH_3]^2}{[H_2]^3\cdot[N_2]}}

=\frac{(2x)^2}{(0{,}65-3x)^3(0{,}45-x)}

=\frac{(2x)^2}{(0{,}65-3x)^3(0{,}45-x)}

=172

=172

-x

-x

-3x

-3x

+2x

+2x

0{,}65-3x

0{,}65-3x

0{,}45-x

0{,}45-x

2x

Hylätään x=0,46..., koska tällöin typpikaasun konsentraatio olisi tasapainossa negatiivinen.

Lämpötilan muutos

Lämpötilan nosto siirtää systeemin tasapainoa endotermisen reaktion suuntaan eli sen reaktion suuntaan, joka sitoo lämpöä.

Lämpötilan lasku siirtää systeemin tasapainoa eksotermisen reaktion suuntaan eli sen reaktion suuntaan, joka vapauttaa lämpöä.

Eksoterminen reaktio

Endoterminen reaktio

\Delta H<0

\Delta H<0

\Delta H>0

\Delta H>0

systeemin lämpötila nousee

systeemin lämpötila laskee

N2(g) + 3 H2(g) ⇌ 2 NH3(g), ΔH = −92 kJ/mol

$\rightarrow$ etenevä reaktio nopeutuu

Esimerkki

Mihin suuntaan reaktion tasapainotila siirtyy, jos

a) reaktioastiaan lisätään vetyä?

b) vähennetään ammoniakkia?

lisätään lähtöainetta

N2(g) + 3 H2(g) ⇌ 2 NH3(g)

systeemi pyrkii kumoamaan muutoksen poistamalla lähtöainetta

$\rightarrow$ tuotteita syntyy lisää

$\rightarrow$ tasapainotila tuotteiden puolella

N2(g) + 3 H2(g) ⇌ 2 NH3(g)

vähennetään tuotetta

$\rightarrow$ etenevä reaktio nopeutuu

systeemi pyrkii kumoamaan muutoksen lisäämällä tuotetta

$\rightarrow$ tasapainotila tuotteiden puolella

N2(g) + 3 H2(g) ⇌ 2 NH3(g), ΔH = −92 kJ/mol

Esimerkki

Mihin suuntaan reaktion tasapainotila siirtyy, jos

c) systeemin painetta kasvatetaan?

N2(g) + 3 H2(g) ⇌ 2 NH3(g)

4 moolia kaasuja

2 moolia kaasuja

$\rightarrow$ etenevä reaktio nopeutuu, koska lähtöaineiden puolella on enemmän kaasumolekyylejä

systeemi pyrkii kumoamaan muutoksen siirtymällä siihen suuntaan, jossa on vähemmän kaasumolekyylejä

$\rightarrow$ tuotteita syntyy lisää

$\rightarrow$ tasapainotila tuotteiden puolella

$\rightarrow$ tuotteita syntyy lisää

$\rightarrow$ tasapainotila tuotteiden puolella

N2(g) + 3 H2(g) ⇌ 2 NH3(g), ΔH = −92 kJ/mol

Esimerkki

Mihin suuntaan reaktion tasapainotila siirtyy, jos

etenevän reaktion entalpiamuutos

d) lämpötilaa lasketaan?

$\rightarrow$ tuotteita syntyy lisää

$\rightarrow$ tasapainotila tuotteiden puolella

N2(g) + 3 H2(g) ⇌ 2 NH3(g), ΔH = −92 kJ/mol

systeemi pyrkii kumoamaan muutoksen nopeuttamalla eksotermistä reaktiota

eksoterminen reaktio

$\rightarrow$ etenevä reaktio nopeutuu

$\rightarrow$ tuotteita syntyy lisää

$\rightarrow$ tasapainotila tuotteiden puolella

Esimerkki

Dityppitetraoksidin ja typpidioksidin reaktio:

\mathrm{N_2O_4(g)\leftrightharpoons 2\ NO_2(g)}

\mathrm{N_2O_4(g)\leftrightharpoons 2\ NO_2(g)}

Eräässä lämpötilassa reaktio asettuu tasapainoon, kun tasapainokonsentraatiot ovat $\mathrm{[N_2O_4]=0{,}64\ M}$ ja $\mathrm{[NO_2]=0{,}055\ M}$ .

Reaktioseokseen lisätään typpidioksidia niin, että lisäyksen jälkeen konsentraatio on 0,500 M. Tutki Q:n avulla, tapahtuuko reaktio konsentraation lisäyksen jälkeen etenevään vai palautuvaan suuntaan.

Ratkaisu:

Lasketaan K.

K=\frac{[\mathrm{NO_2}]^2}{[\mathrm{N_2O_4}]}

K=\frac{[\mathrm{NO_2}]^2}{[\mathrm{N_2O_4}]}

=\frac{0{,}055^2}{0{,}64}

=\frac{0{,}055^2}{0{,}64}

\approx0{,}0047

\approx0{,}0047

Lasketaan Q.

Q=\frac{[\mathrm{NO_2}]^2}{[\mathrm{N_2O_4}]}

Q=\frac{[\mathrm{NO_2}]^2}{[\mathrm{N_2O_4}]}

=\frac{0{,}500^2}{0{,}64}

=\frac{0{,}500^2}{0{,}64}

\approx0{,}39

\approx0{,}39

Q>K

Q>K

tasapaino siirtyy palautuvan reaktion suuntaan

Tasapaino KE6: 2/4

Tasapaino

KE6: 2/4

Alkulämmittelyä

Tasapaino-reaktiot

Tasapainoreaktio

Tasapainotila

Tasapainovakio

Esimerkki

Tasapainovakio

Esimerkki

Homogeeninen ja heterogeeninen tasapainotila

Osaatko?

Tasapaino-vakio

Esimerkki 1

Esimerkki 2

Osaatko?

Le Chatelierin periaate

Tasapainotila

Le Chatelierin periaate

Lämpötilan muutos

Paineen muutos

Konsentraation vaikutus

Esimerkki

Esimerkki

Esimerkki

Reaktio-osamäärä Q

Esimerkki